Прорыв в нанопоровом секвенировании ДНК: путь к более дешевому и точному анализу
В будущем персонализированной медицины врачи смогут быстро определять предрасположенность к болезням или выбирать терапию, анализируя образец слюны. Однако современные методы секвенирования нового поколения (NGS) остаются дорогими и требуют оснащенных лабораторий.
Команда Джорджа Чёрча из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарварде и Гарвардской медицинской школы разработала новую электронную платформу для секвенирования ДНК на основе биологически сконструированных нанопор. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Новый подход: Nanopore-SBS
С 1990-х годов Чёрч и другие исследователи изучали альтернативный метод — нанопоровое секвенирование путем синтеза (Nanopore-SBS). Метод основан на пропускании ионов через нанопору в мембране под напряжением. Изменения тока позволяют идентифицировать молекулы. В предыдущих работах этот принцип применяли для различения четырех нуклеотидов ДНК: фермент ДНК-полимераза создает комплементарную цепь, используя нуклеотиды со специфичными синтетическими метками, которые затем поочередно высвобождаются в нанопору для идентификации.
Ключевая проблема и её решение
Главной проблемой была низкая точность из-за одновременного синтеза нескольких комплементарных цепей ДНК рядом с порой, что создавало смешанные электрические сигналы.
Команда создала новый "движок секвенирования". Он состоит из семи белковых субъединиц, формирующих нанопорный комплекс. Только одна из них специфично конъюгирована с молекулой ДНК-полимеразы, которая позиционируется прямо у входа в пору. Это обеспечивает анализ одной молекулы-шаблона.
Преимущества и результаты
- Мультиплексирование: Система позволяет одновременно анализировать множество разных молекул ДНК на одном чипе с сотнями индивидуально адресуемых нанопор.
- Точность: Точность идентификации правильного нуклеотида составляет от 79% до 99%. Фоновые события, классифицируемые как истинные захваты, происходят менее чем в 1.2% случаев.
- Потенциал для снижения стоимости: Высокая пропускная способность и возможность мультиплексирования на одном чипе могут значительно удешевить секвенирование по сравнению с дорогими реагентами и оборудованием для NGS.
Значение технологии
Как отметил директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер, эта технология объединяет инженерные макромолекулярные машины (нанопоры), синтетические мембраны и обычную электронику, открывая путь к созданию нового класса недорогих генетических диагностических систем.